De 7 belangrijkste componenten van het IoT-ecosysteem

Internet of Thigs (IoT) verwijst naar een verzameling onderling verbonden dingen die in staat zijn te detecteren, te activeren en te co1TP14communiceren in een breed netwerk met of zonder directe menselijke tussenkomst. Ze zijn ook in staat om autonoom te reageren op veranderingen in de omgeving door processen in gang te zetten en deze informatie te delen in het netwerk om waardevolle informatie over hun omgeving te verwerken en te genereren. Dit is nu een gevestigde en snelgroeiende technologie met meer dan 20 miljard apparaten geïdentificeerd als IoT-apparaten in 2025.

Kernconcepten achter het ivd zijn "slimme objecten" en "slimme omgevingen". Een slim object is een fysiek object dat is uitgerust met een processor, gegevensopslagsysteem, sensorsysteem en netwerktechnologie voor communicatie. Sommige van deze objecten kunnen hun omgeving beïnvloeden door middel van actuatoren. Volgens dezelfde definitie verwijst een slimme omgeving naar de fysieke omvang waarin slimme objecten worden ingezet en met elkaar interageren. Nu we het raamwerk van het ivd kort hebben begrepen, gaan we kijken naar de belangrijkste componenten van het ivd.

Ding of apparaat

Dingen en apparaten in het ivd worden componenten genoemd zoals sensoren, actuatoren en soms ook wearables die zijn uitgerust met sensoren en actuatoren. Deze worden ingezet in de fysieke laag van een IoT-architectuur die fungeert als de ruggengraat van het IoT-framework. De belangrijkste functies van deze dingen en apparaten zijn het detecteren en verzamelen van gegevens uit de omgeving en het implementeren van elk vereist besturingsmechanisme om de vereiste variabelen in de omgeving te controleren.

1. Sensoren

Dit zijn de componenten die verantwoordelijk zijn voor het detecteren en detecteren van elke verandering in de omgeving. Tegenwoordig kunnen sensoren bijna alles detecteren, variërend van temperatuur tot menselijke bloeddruk en geavanceerde sensoren kunnen andere complexe dingen meten. Al deze functionaliteiten worden mogelijk gemaakt door een zeer kleine ruimte in te nemen dankzij moderne technologie zoals VLSI (Very Large-Scale Integration). VLSI heeft geleid tot een nieuwe reeks geavanceerde sensoren, bekend als Micro-elektromechanische systemen (MEMS), die nu zeer commoneel zijn in de meeste IoT-toepassingen. Hieronder volgen enkele veelgebruikte sensorcategorieën:

• Temperatuursensoren: Deze sensoren meten temperatuurvariaties in de meetomgeving. Er zijn verschillende soorten temperatuursensoren, afhankelijk van de technologie waarmee de temperatuur wordt gemeten, zoals thermokoppels, thermistors, IR-sensoren en weerstandstemperatuurdetectoren (RTD).
• Nabijheidssensoren: Deze sensoren detecteren de aan- of afwezigheid van een nabijgelegen object of de eigenschappen ervan. Er zijn verschillende soorten naderingssensoren zoals inductieve sensoren, capacitieve sensoren, ultrasone sensoren en foto-elektrische sensoren.
• Bewegingsdetectiesensoren: Deze sensoren detecteren elke fysieke beweging in een bepaald gebied. Ultrasone sensoren, passieve IR-sensoren (PIR) en microgolfsensoren zijn enkele van de meest gebruikte sensoren.
• Optische sensoren: Deze sensoren kunnen lichtfotonen opvangen en omzetten in signalen om belangrijke informatie over de omgeving te interpreteren.
• Druksensoren: Deze sensoren detecteren drukveranderingen in de meetomgeving.
• Gyroscopen en versnellingsmeters: Deze sensoren kunnen elke draaibeweging en versnelling meten.
• Chemische en gassensoren: Deze sensoren detecteren de aanwezigheid van bepaalde chemische stoffen en gassen in de omgeving. Er zijn verschillende types en families van deze sensoren, afhankelijk van de vereisten.
• Vochtigheidssensoren: Deze meten de vochtigheid in de omgeving.

2. Actuators

Dit is het tegenovergestelde van sensoren. Ze handelen op de omgeving afhankelijk van bepaalde instructies of sensorgegevens. Laten we dit eens bekijken aan de hand van een voorbeeld. Denk aan een ingezette IoT-toepassing in de landbouw om de watertoevoer naar de vegetatie te regelen. Hiervoor kunnen we waterspiegelsensoren en bodemvochtsensoren gebruiken om het waterniveau in de bodem te detecteren. Nu kunnen we water leveren met behulp van pompen door een klep te bedienen. De klep werkt hier als een actuator. Wanneer de sensoren een teveel aan water detecteren, sturen ze een signaal naar de kleppen, die de actuatoren zijn om de pomp te sluiten.

Het type actuator hangt af van de vertical en de use case. Ze kunnen nodig zijn om een schakelaar aan of uit te zetten of een klep te bedienen zoals in ons vorige voorbeeld of ze kunnen geavanceerde acties vereisen zoals grijpen, draaien en roteren.

Connectiviteit en netwerken

IoT-toepassingen omvatten apparaten, sensoren, actuatoren en cloud communicatie met elkaar om beslissingen te nemen en verzamelde gegevens te verwerken. Hiervoor is het essentieel om middelen te ontwikkelen om deze componenten in een IoT-ecosysteem met elkaar te verbinden. Daarom is connectiviteit een ander essentieel onderdeel bij het realiseren van IoT-toepassingen. In het algemeen zijn er twee soorten communicatiemethoden om connectiviteit tot stand te brengen, namelijk: draadloze communicatie en bekabelde communicatie. De keuze tussen deze twee is volledig afhankelijk van de use case en de vertical.

Communicatieprotocollen

Zodra de gegevens zijn verzameld en de benodigde besturingsgegevens zijn opgehaald, is het nodig om deze gegevens te communiceren naar het cloudplatform of naar de rand, zoals vereist. Om dit te realiseren maken IoT-toepassingen gebruik van verschillende soorten communicatieprotocollen.

Wanneer de randknooppunten (inclusief sensoren en actuatoren) zich op korte afstand van elkaar bevinden, worden ze samen Personal Area Networks (PAN's) genoemd. PAN's gebruiken meestal niet-internetprotocollen voor communicatie. Er zijn echter ook IP-gebaseerde protocollen. Deze protocollen voor PAN's zijn gedefinieerd onder IEEE 802.15 Wireless personal area network definities. Enkele van deze protocollen zijn Bluetooth 5, ZigBee en Z-Wave protocollen. Ook protocollen zoals 6LoWPAN worden gebracht om ook IP-gebaseerde protocollen in PAN's te hebben.

Als de edge nodes over een groot gebied verspreid zijn, worden ze Wide Area Networks (WAN's) of Local Area Networks (LAN's) genoemd. Deze twee termen worden soms door elkaar gebruikt. Deze LAN's gebruiken IP-gebaseerde commcommunicatieprotocollen om te communiceren tussen knooppuntapparaten en de cloud. Hiervoor zijn communicatieprotocollen met een groot bereik en een aanzienlijke hoeveelheid energie nodig. Enkele van de bekende protocollen zijn LoRaWAN, MQTT, HTTP, cellulair (4G/3G) en Wi-Fi zijn enkele van de meest gebruikte communicatieprotocollen.

Cloud

De IoT-cloud kan worden beschouwd als de plaats waar de "slimheid" ligt. De cloud verzamelt alle gegevens die worden verzameld via het relevante communicatieprotocol en voert de noodzakelijke verwerking uit. Naast het verzamelen en verwerken van gegevens kan de IoT-cloud ook gegevens in real-time opslaan en beheren. Een belangrijke factor bij het kiezen van een geschikte clouddienst is daarom de latentie van clouddiensten. Cloudproviders ondersteunen een scala aan XaaS-producten (Everything as a Service). De diensten omvatten Networking as a Service (NaaS), Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) en Infrastructure as a Service (IaaS). De gebruiker kan beslissen welke service hij wil gebruiken, afhankelijk van het IoT-gebruik en de vertical.

Eenvoudig gezegd zou de IoT-cloud bestaan uit een netwerk van diensten die zijn geoptimaliseerd voor bovengenoemde diensten en het real-time beheren van enorme hoeveelheden gegevens. Dit bevat ook een gedistribueerd managementdatabasesysteem.

Ondanks het gemak en de lagere operationele kosten is er een nieuwe trend ontstaan om relevante gegevens in de rand zelf te verwerken en te beheren, wat leidt tot nieuwe concepten zoals Edge computing en Fog computing. De voorkeur tussen cloud computing en edge computing hangt af van de toepassing, waarbij edge computing de voorkeur geniet als er grote hoeveelheden gegevens op locatie moeten worden verwerkt.

IoT-analyse

De fysieke gegevens die door sensoren worden verzameld, worden aan de rand omgezet in digitale signalen en deze digitale signalen kunnen bruikbare gevolgen hebben. We moeten bijvoorbeeld de vitale functies van patiënten classificeren als ernstig of gezond. Hiervoor kunnen we gegevens van de patiënt verzamelen met behulp van sensoren en de gegevens verzamelen als tijdreeksgegevens en deze verwerken met behulp van een op regels gebaseerde engine om onze voorspelling te doen. In geval van nood spelen de nauwkeurigheid en snelheid van deze op regels gebaseerde engine een cruciale rol. Bovendien is het belangrijk om een immediate actie uit te voeren voor de voorspelling.

Om deze functies te realiseren, kunnen we deep learning-modellen inzetten voor voorspellende analyse en verschillende machine learning-technieken om trends te voorspellen, regressieproblemen op te lossen, gebeurtenissen te voorspellen en zelfs nuttige beslissingen te nemen.

Analytics vereist een aanzienlijke opslagcapaciteit en rekenkracht om deze bewerkingen uit te voeren en slimme beslissingen te nemen. Daarom worden ze idealiter gehost op de IoT-cloud. Opkomende concepten zoals TinyML hebben echter deuren geopend om beslissingen in de rand zelf te nemen.

Gebruikersinterface

Dit is het onderdeel waar de eindgebruiker actief zal interageren met ons IoT-ecosysteem. De gebruiker kan het hele systeem besturen en wijzigingen en voorkeuren voor het systeem instellen. Daarom zal de gebruikersinterface fungeren als de high-level abstractie van het hele systeem.

De gebruikersinterface kan worden geïntegreerd in het apparaat zelf of kan worden geïnstalleerd in wearables, smartphones, tablets of in de vorm van een webapplicatie. IoT-dashboards zijn nog zo'n populair platform, maar vereisen soms enige technische vaardigheden om ermee te kunnen werken. Tot slot, als je ooit de kans krijgt om een gebruikersinterface te ontwerpen, vergeet dan niet dat design een belangrijke overweging is. Voeg coole lettertypes, spraakondersteuning en aanraakinterfaces toe om het product concurrerender te maken.

Laten we nu eens kijken naar meer aanvullende componenten in een IoT-ecosysteem.

Beveiliging

Dit is een onderdeel dat meestal over het hoofd wordt gezien door ontwerpers en IoT-architecten bij het ontwerpen van IoT-toepassingen, wat ertoe heeft geleid dat steeds meer apparaten kwetsbaar worden voor aanvallen. Een veilig systeem moet een oppositiestrategie en een herstelstrategie bevatten en moet in staat zijn om kwaadaardige aanvallen op het systeem te herkennen.

Idealiter kunnen deze beveiligingssystemen worden ingezet in de cloud en worden geïntegreerd in netwerkcomponenten.

IoT-gateway

IoT-gateways zijn een populaire component geworden met het toenemende aantal sensoren en knooppunten die een bepaald IoT-systeem verbinden. Dit vergemakkelijkt het beheer van het gegevensverkeer en ze kunnen bovendien gegevensbeveiligingsmaatregelen bieden naast het voorbewerken van gegevens om ongewenste of corrupte gegevens te verwijderen. Bovendien zijn meer geavanceerde IoT-gateways uitgerust met de mogelijkheid om gegevens te analyseren en slimme beslissingen te nemen, waardoor de cloud service minder wordt belast.

Conclusie 

Het internet der dingen, dat al een volwassen technologie is, heeft een snelle groei gekend met de vooruitgang van nieuwe technologieën en nieuwe protocollen die zich bij het domein aansluiten. Het zal waarschijnlijk een nieuwe dimensie krijgen met de komst van nieuwe co1TP14communicatietechnologieën zoals 5G en een veelbelovende toekomst tegemoet gaan.